基于Na22+放射性同位素的密度計在礦漿檢測上的運用

鄧 磊，張玉瀟，陶 花

（云錫文山鋅銦冶煉有限公司，云南 文山 663700）

當(dāng)今世界，工業(yè)化日新月異，集散控制使企業(yè)自動化程度越來越高，智能儀表與集散控制系統(tǒng)的配合應(yīng)用為工廠自動化控制提供了眼睛，使得控制更加精確。但是針對一些特殊的工藝介質(zhì)以及高溫、高壓、高腐蝕等極端工況，普通檢測儀表使用壽命極短或者根本達(dá)不到檢測要求。針對此種情況，一些利用放射性同位素核源的非接觸式測量測儀表應(yīng)運而生。

某冶煉廠十多臺濃密機需要測量底流密度，由于介質(zhì)是礦漿，管道材質(zhì)為鋼襯管，采用傳統(tǒng)的超聲波原理的密度測量儀表受測量介質(zhì)與管壁等因素的影響，根本得不到有效數(shù)據(jù)，針對上述情況，工廠決定采用放射性同位素儀表檢測濃密機底流密度。

1 檢測儀表優(yōu)劣對比

1.1 普通檢測儀表

普通檢測儀表大部分為直接接觸介質(zhì)測量，能夠有效反應(yīng)被測介質(zhì)的屬性，屬于普通儀表，安全性能很高，造價便宜，無附加配套設(shè)施，容易得到需要檢測的數(shù)據(jù)。但因為是直接接觸式測量，對介質(zhì)、工況、安裝要求很高，針對一些高溫、高壓、高腐蝕、高粉塵的極端工況，儀表測量精度低，使用壽命短，并且在儀表出現(xiàn)故障時必須停機處理，給工廠的連續(xù)性生產(chǎn)帶來諸多不便。

1.2 Cs137與Co60同位素儀表

放射性同位素的出現(xiàn)在很大程度解決了這一難題，當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域的同位素檢測儀表主要是以Cs137和Co60為主要放射源的液位計、液位開關(guān)、密度計等。它檢測原理為放射源用密閉的鉛盒封裝，置于待檢測設(shè)備的一側(cè)或者內(nèi)置釜等容器內(nèi)，設(shè)備的正對另一側(cè)安裝接收器，檢測時，將鉛盒正對設(shè)備一面打開，放射源發(fā)射出射線穿透待檢設(shè)備之后被接收器接收，因設(shè)備內(nèi)的物料介質(zhì)會隨著工藝變化而變化，放射源穿透設(shè)備的射線也會隨著介質(zhì)的變化有強弱之別，變化的信號經(jīng)過處理之后，轉(zhuǎn)換成電信號傳送給相應(yīng)控制顯示設(shè)備就可以得到被測介質(zhì)的液位或者密度。

放射源儀表由于是非接觸式測量，它的出現(xiàn)為解決極端工況帶來了福音，但同時它存在極大的安全隱患。自然環(huán)境中放射性環(huán)境核素Cs137主要來源于原子彈、氫彈等核武器試驗、核武器制造過程中所產(chǎn)生的放射性廢液、核燃料處理廠的放射性廢液和核電站核反應(yīng)堆的放射性廢物等。Cs137的衰變過程是β-衰變，衰變過程中發(fā)射兩種β-粒子，最大衰變所釋放的能量分別0.512MeV（94.6%）和1.174MeV（5.4%），半衰期30.17年。Co60是β-衰變核素，發(fā)射β-和γ射線，β-射線的最大能量為0.315兆電子伏，γ射線的能量有1.173210和1.332470兆電子伏兩種，半衰期為5.272年。

Cs137人體攝入量小于0.25Gy屬于安全范圍，超過此值會導(dǎo)致造血系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)損傷，非正常生育乃至絕育，人體攝入量超過6Gy，能夠致人死亡。Co60屬高毒性核素，對全身有影響，對人體的有效半減期為9.5天，在人體中的最大容許積存量為3.7×105貝可，能導(dǎo)致脫發(fā)，會嚴(yán)重?fù)p害人體血液內(nèi)的細(xì)胞組織，造成白血球減少，引起血液系統(tǒng)疾病，如再生性障礙貧血癥，嚴(yán)重的會使人患上白血?。ㄑ?，甚至死亡。

所以在Cs137與Co60儀表使用過程中，必須根據(jù)國家相關(guān)法律法規(guī)辦理輻射安全許可證，現(xiàn)場必須安裝環(huán)境當(dāng)量實時監(jiān)測系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，必須設(shè)置有保存鉛盒的專用倉庫，才能使用。儀表維護(hù)人員必須取得輻射安全與防護(hù)培訓(xùn)合格證，進(jìn)入現(xiàn)場時穿戴齊全鉛衣，佩戴輻射測量儀才能工作，且由于人的天然畏懼心理，導(dǎo)致工作上的諸多不便，且放射源必須終身監(jiān)管，從生產(chǎn)、運輸、使用、報廢都必要按照規(guī)定流程，一旦出現(xiàn)疏漏，將造成嚴(yán)重后果。

1.3 Na22+同位素儀表

Na22+同位素檢測儀表與Cs137、Co60的測量原理一致，它與Cs137和Co60不同點在于該產(chǎn)品能以極低的活度獲得想要的測量結(jié)果，該儀表核源活度≤1X106Bq，低于國家要求的豁免度水平，在國家生態(tài)環(huán)境部的豁免清單之內(nèi)，可以當(dāng)做普通儀表使用。

2 技術(shù)方案確定

根據(jù)上述介紹，該冶煉廠十多臺濃密機底流密度計全部采用Na22+同位素作為放射源的核密度計測量儀表。

3 Na22+密度計的測量原理

Na22+密度計的工作原理是由放射性產(chǎn)生的伽馬射線穿透被測介質(zhì)，其中一部分射線被介質(zhì)吸收，剩余部分射線被傳感器控制器所接收，接收伽馬射線越多，表明被測物體密度越小，反之亦然，根據(jù)伽馬射線的衰減程度，接收控制器CPU計算電離輻射通量的變化情況，從而測量被測介質(zhì)的密度，并以標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA電流形式輸出。

伽馬射源的衰減遵循已知的指數(shù)關(guān)系，具體如下：

n（D）=A＊exp（B＊D）。

D為密度，A和B為與放射源活性、伽馬鏈子能量以及管道直徑、管壁相關(guān)的系數(shù)。測量原理示意圖如圖1所示。

圖1 Na22+密度計測量原理示意圖

4 安裝及測量要求

（1）安裝位置管徑要介于50mm～500mm之間。管道直徑小于50mm，增加介質(zhì)與輻射相互作用的體積。

（2）密度計的安裝位置應(yīng)選取在管道被介質(zhì)完全充滿處。最好為垂直或部分傾斜的方向上，使得介質(zhì)從下向上流動。如果安裝位置僅限于管道水平方向，則探測器固定螺栓要保持水平，主要是為防止水平管道底部有沉積對密度計讀數(shù)產(chǎn)生影響。另外，還存在沉積厚度變化的情況，因此，密度計的讀數(shù)也取決于漿體壓力。

（3）選擇安裝位置時，安裝位置要距離出料口(或輸送泵)5米以上，因為儲槽內(nèi)部介質(zhì)有可能沒有攪拌均勻，離出料口太近測量的密度值不精準(zhǔn)。

（4）選擇安裝位置時，應(yīng)避免接近（壓縮機、電機等）震動源。當(dāng)所測管道位置震動強烈且沒有其他安裝位置時，將探測器固定在主體上。

（5）當(dāng)兩臺密度計的安裝位置彼此較近的時候，放射源會對另外一臺密度計產(chǎn)生影響。對此，兩臺相鄰密度計之間的距離≥3m，如不能實現(xiàn)，則在放射源近處放置鉛板。

（6）如果所測管道表面溫度超過70℃，但低于100℃，則使用隔熱板，主要隔離接收器一側(cè)，接收器高溫容易損壞。如果工作管道表面溫度超過100℃，則安裝探測器冷卻水回路。

（7）當(dāng)管道不是完全被介質(zhì)密充滿時，則需使用其他密度計的探測器。在這種情況下，需將管道上方進(jìn)行切割，并安裝一個短管。將有輻射源的短管通過支架固定在管道上。輻射源位置應(yīng)安裝在流經(jīng)管道介質(zhì)的下方。在插入介質(zhì)部分需做耐磨涂層，以便提高其耐磨性。

（8）取樣口距離安裝位置1m以內(nèi)，且要安裝在輸送泵的后面，以保證介質(zhì)的均勻性，減少密度計和化驗室的實測密度之間的誤差。

5 工廠應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性分析和運用實績

5.1 經(jīng)濟(jì)運行分析

Na22+同位素儀表比Cs137和Co60的檢測儀表設(shè)備造價稍貴，但是它是國家生態(tài)環(huán)境部豁免儀表，無需辦理輻射安全許可證，不需要使用單位建立專用庫房，僅此一項就能節(jié)省數(shù)十萬元的投資。另外配套儀表使用視頻監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境當(dāng)量檢測系統(tǒng)等也是造價不菲，從事儀表維護(hù)的人員必須取得輻射安全與培訓(xùn)證書，穿戴鉛服、輻射檢測儀、個人輻射劑量儀等，以上幾項合計投資又接近數(shù)十萬元，綜上所述，Na22+核源儀表要比Cs137和Co60的檢測儀表經(jīng)濟(jì)型要高很多，它的使用能為企業(yè)節(jié)約更大的成本。

5.2 運用實績

該冶煉廠的其中10臺濃密機底流密度計投入使用之后，密度計測量值與化驗室的實測密度的誤差率全部小于2%，為工藝的連續(xù)性生產(chǎn)提供了依據(jù)，取得了良好效果，具體見圖2。

圖2 密度計測量對比表

6 結(jié)語

該儀表的成功使用，很大程度上替代了部分危險性很大的Cs137和Co60的檢測儀表，解決了一些極端工況的測量難題，為其它檢測困擾提供解決的思路，且它綜合運行成本低廉，安全性能較高，是企業(yè)的一大福音，隨著它推廣運用，必將在工廠自動化的提高方面有更多的建樹。